氣動外骨骼助力機器人嵌入式控制系統(tǒng)研究

　　外骨骼引申于昆蟲的外殼，是一種結(jié)合人的智能和機械能的可穿戴設(shè)備，根據(jù)使用目的不同，可以分為助力型和康復(fù)型。康復(fù)型主要用于沒有運動能力的病人的康復(fù)訓(xùn)練，助力型則主要用于軍事、災(zāi)難救援等場合。控制系統(tǒng)相當(dāng)于外骨骼的大腦，外骨骼信號的采集、人機交互的實現(xiàn)、執(zhí)行器的控制全部通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)，本課題研究的重點即為控制系統(tǒng)設(shè)計。

　　本課題主要難點為設(shè)計和實現(xiàn)復(fù)雜控制系統(tǒng)并將控制算法移植入系統(tǒng)中實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，圍繞機器人嵌入式控制系統(tǒng)開展研究，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)和最終指標(biāo)分析控制系統(tǒng)需求，確定了系統(tǒng)方案。作為核心的控制器采用上下位機的方式實現(xiàn)，上位機采用ARM，通過嵌入式LINUX系統(tǒng)實現(xiàn)人機交互和上下肢的運動路徑規(guī)劃，配置人機交互界面作為主控界面。下位機采用DSP進行各關(guān)節(jié)運動控制，通過對高速開關(guān)閥的閉環(huán)控制實現(xiàn)對氣動肌肉的高精度運動控制，同時在PC端設(shè)計監(jiān)控界面完成數(shù)據(jù)的采集和顯示。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設(shè)計了控制系統(tǒng)的程序框架，進行了器件選型，完成了硬件系統(tǒng)的制作和實驗測試。基于嵌入式控制系統(tǒng)，首先開展了對單根氣動肌肉的模糊PID控制和滑?？刂蒲芯?，經(jīng)對比采用滑?？刂谱鳛橹饕刂扑惴ㄟM行外骨骼助力機器人手臂的運動控制。開展了人機協(xié)同控制研究，上肢運動路徑規(guī)劃采用阻抗控制算法實現(xiàn)，下肢首先依據(jù)人體行走實際運動情況對機器人步態(tài)進行劃分，確定機器人步態(tài)變化規(guī)則，然后在系統(tǒng)中根據(jù)足底傳感器和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角傳感器信息進行步態(tài)判別，根據(jù)機器人步態(tài)變換規(guī)則確定腿部運動路徑并進行控制。最后，為了實現(xiàn)外骨骼助力機器人無外接電源、氣源獨立工作，本課題研究開發(fā)了背負式電源系統(tǒng)和氣源系統(tǒng)，解決了機器人能源供給問題，實驗結(jié)果表明機器人能依靠自身能源完成一定時間內(nèi)的人機協(xié)同獨立行走和助力工作。
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